1、激光切割基础知识激光切割基础知识(总30页)激光切割加工基础知识第一部分 激光切割的原理和功能一、激光切割的原理 激光切割是由电子放电作为供给能源，通过 He、N2、CO2 等混合气体为激发媒介，利用反射镜组聚焦产生激光光束，从而对材料进行切割。 激光切割的过程：在数控程序的激发和驱动下，激光发生器内产生出特定模式和类型的激光，经过光路系统传送到切割头，并聚焦于工件表面，将金属熔化；同时, 喷嘴从与光束平行的方向喷出辅助气体将熔渣吹走；在由程控的伺服电机驱动下，切割头按照预定路线运动，从而切割出各种形状的工件。图1：激光切割示意图二、机床结构SLCF-X1540F数控激光切割机是意大利普瑞玛（
2、PRIMA）工业公司的主导机型悬臂式飞行光路结构的激光切割机，加工板材尺寸为15004000毫米，配有交换工作台。（一） 该机型的主要特点如下： 悬臂式开式结构，可从三个方向上下料，人机接近性极好，可放置超长超宽的板材。 可移动式切割工作台与主机分离，柔性大。可加装焊接、切管等功能。 精密传动部件不在切割区域内，防护容易，也不会由于工作台及床身切割热变形影响机床的精度。 从根本上消除了电器双边同步锁产生的误差，避免了横梁的扭动，使得光路稳定，切割精度提高。 配有高速的Z轴系统，同时可通过数控系统控制辅助气体的压力、流量等，大大提高了加工效率。 新型的PM智能化编程软件，具有蛙跳、共边切割、优化
3、套排料、高效穿孔、尖角处理等功能。 具有先进的多腔分室除尘系统，比单纯的抽风系统除尘效果更高。 （二）机床的结构主要由以下几部分组成：1、床身全部光路安置在机床的床身上，床身上装有横梁、切割头支架和切割头工具，通过特殊的设计，消除在加工期间由于轴的加速带来的振动。机床底部分成几个排气腔室，当切割头位于某个排气室上部时，阀门打开，废气被排出。通过支架隔架，小工件和料渣落在废物箱内。2、工作台 移动式切割工作台与主机分离，柔性大，可加装焊接、切管等功能。配有两张米4米的工作台可供交换使用，当一个工作台在进行切割加工的同时，另一张工作台可以同时进行上下料操作，有效提高工作效率。两个工作台可通过编程或
4、按钮自动交换。工作台下方配有小车收集装置，切割的小料及金属粉末会集中收集在小车中。 3、切割头 是光路的最后器件，其内置的透镜将激光光束聚焦，标准切割头焦距有 5 英寸和 英寸(主要用于割厚板)两种。良好的切割质量与喷嘴和工件的间距有关，本机切割头使用德国PRECITEC公司生产的非接触式电容传感头，在切割过程中可实现自动跟踪与修正工件表面与喷嘴的间距，调整激光焦距与板材的相对位置，以消除因被切割板材的不平整对切割材料造成的影响。自动找准材料的摆放位置（红光指示器）。4、控制系统 控制系统包括数控系统（集成可编程序控制器PLC）、电控柜及操作台。PMC-1200数控系统由32位CPU控制单元、
5、数字伺服单元、数字伺服电机、电缆等组成，采用全中文才做界面，彩色液晶显示器，能实现机外编程计算机与机床的控制系统进行数据传输通讯（具有232接口），具有加速、突变限制；具有图形显示功能，可对激光器的各种状态进行在线和动态控制功能。5、激光控制柜 控制和检查激光器的功能，并显示系统的压力、功率、放电电流和激光器的运行模式。 6、激光器 采用原装进口德国ROFIN公司SLAB3000W型激光发生器，是目前世界先进的RF激励板式放电的二氧化碳激光器。其心脏是谐振腔, 激光束就在这里产生，激光气体是由二氧化碳氮气氦气的混合气体，通过涡轮机使气体沿谐振腔的轴向高速运动，气体在前后两个热交换器中冷却，以利
6、于高压单元将能量传给气体。 7、冷却设备 冷却激光器、激光气体和光路系统。8、除尘装置 内置管道及风机，改善了工作环境。切割区域内装有大通径除尘管道及大全压的离心式除尘风机，加之全封闭的机床床身及分段除尘装置，具有较好的除尘效果。9、供气系统 包括气源、过滤装置和管路。气源含瓶装气和压缩空气（空气压缩机、冷干机）。 （三）设备的技术参数表1：激光切割机技术参数序号项目名称参数单位1切割板材尺寸1500*4000mm2X轴行程4000mm3Y轴行程1500mm4Z轴行程100mm5X、Y轴定位精度mm/m6X、Y轴重复定位精度mm7X、Y轴最大定位速度100m/min8切割工作台最大载重750k
7、g9切割碳钢最大厚度18-20mm10切割不锈钢最大厚度8-10mm11切割铝板最大厚度5-6mm12真空悬臂吊最大载重500kg（四）ROFIN 3000W CO2激光发生器技术参数表2：激光器技术参数激光束特性功率范围（W）0-3000最大功率（W）3000长时间功率稳定性公称功率2%光束直径（1/e2)（毫米）20-25光束发散（全角）（毫弧度）光束端点稳定性（毫弧度）因子K（公称功率）K偏振状态45度线偏振光束模式00模式操作连续波、门脉冲脉冲参数脉冲重复频率（赫兹）CW-5000最小脉冲周期（微秒）26脉冲宽度26um电、气、冷却电能消耗（千伏安）380V10%，三相，50赫兹工作耗
8、电38KVA待机耗电最小气体消耗（升/小时）2%最大功率时（氦气65%，氮气30%，CO25%）H冷却能力（千瓦，环境温度40度）35压缩空气压力（巴）4环境温度范围（度）5-30三、切割方法 不同的材料，切割方法不一样，主要分为熔化切割、氧化切割、气化切割、导向断裂切割等。表3：切割方法与对应的材料序号切割方法对应切割材料1熔化切割不锈钢、铝2氧化切割碳钢3气化切割木材、碳素材料和某些塑料4导向断裂切割陶瓷1、熔化切割 在激光熔化切割中，工件材料在激光束的照射下局部熔化，熔化的液态材料被气体吹走，形成切缝，切割仅在液态下进行，故称为熔化切割。切割时在与激光同轴的方向供给高纯度的不活泼气体，辅
9、助气体仅将熔化金属吹出切缝，不与金属反应。这种切割方法的激光功率密度在107W/cm2左右。 激光光束配上高纯惰性切割气体促使熔化的材料离开割缝，而气体本身不参于切割。 最大切割速度随着激光功率的增加而增加，随着板材厚度的增加和材料熔化温度的增加而几乎反比例地减小。在激光功率一定的情况下，限制因数就是割缝处的气压和材料的热传导率。2、氧化切割 与熔化切割不同，激光氧化切割使用活泼的氧气作为辅助气体。由于氧与已经炽热了的金属材料发生化学反应，释放出大量的热，结果是材料进一步被加热。 材料表面在激光束照射下很快被加热到燃点温度，与氧气发生激烈的燃烧反应，放出大量热量，在此热量作用下，材料内部形成充
10、满蒸汽的小孔，而小孔周围被熔化的加工材料所包围。 燃烧物质转移成熔渣，控制氧和加工材料的燃烧速度，氧气流速越高，燃烧化学反应和去除熔渣的速度也越快。但是 ，如果氧气速度过快，将导致割缝出口处的反应产物即金属氧化物的快速冷却，对切割质量造成不利影响。 切割过程存在两个热源：激光束照射能和化学反应所产生的热能。据估计，切割碳钢时，氧化反应所产生的热能占切割所需能量的60%。 在氧化切割过程中，如果氧化燃烧的速度高于激光束移动的速度，割缝将变宽且粗糙，反之，如果移动速度慢，则割缝窄而光滑。3、气化切割 激光束焦点处功率密度非常高，可达106W/cm2以上，激光光能转换成热能，保持在极小的范围内，材料
11、很快被加热至气化温度，部分材料气化为蒸汽逸去，部分材料被辅助气体吹走，随着激光束与材料之间的连续不断的相对运动，便形成宽度很窄（如）的割缝。这种切割方法的功率密度在108W/cm2左右。一些不能熔化的材料如木材、碳素材料和某些塑料即通过这种方法进行切割。 激光氧化切割在加工精密模型和尖角时是不好的（有烧掉尖角的危险）。可以使用脉冲模式的激光来限制热影响。 所用的激光功率决定切割速度。在激光功率一定的情况下，限制因数就是氧气的供应和材料的热传导率。4、导向断裂切割 对于容易受热破坏的脆性材料，通过激光束加热进行高速、可控的切断，称为导向断裂切割。这种切割过程主要内容是：激光束加热脆性材料小块区域
12、，引起该区域大的热梯度和严重的机械变形，导致材料形成裂缝。只要保持均衡的加热梯度，激光束可引导裂缝在任何需要的方向产生。选择切割方法，需考虑它们的特点和板件的材料，有时也要考虑切割的形状。由于气化相对熔化需要更多的热量，因此激光熔化切割的速度比激光气化切割的速度快，激光氧化切割则借助氧气与金属的反应热使速度更快；同时，氧化切割的切缝宽，粗糙度高，热影响区大因此切缝质量相对较差，而熔化切割割缝平整，表面质量高，气化切割因没有熔滴飞溅，切割质量最好。另外，熔化切割和气化切割可获得无氧化切缝，对于有特殊要求的切割有重要意义。一般的材料可用氧化切割完成，如果要求表面无氧化，则须选择熔化切割，气化切割一
13、般用于对尺寸精度和表面光洁度要求很高的情况，故其速度也最低。另外，切割的形状也影响切割方法，在加工精细的工件和尖锐的角时，氧化切割可能是危险的，因为过热会使细小部位烧损。四、运行模式 激光器经常运行在连续输出模式，为了得到最佳的切割质量，对于给定的材料，有必要调整进给速率，例如拐弯时的加速，减速和延时。因此，在连续输出模式下，降低功率是不够的，必须通过变化脉冲来调整激光功率。表4：各种不同的激光运行模式、应用范围和举例 在连续模式下，激光输出的功率是恒定的，这使得进入板料的热量比较均匀，它适合于一般情况下较快速的切割，一方面可以提高工作效率，另一方面也是避免热量集中导致热影响区组织恶变的需要。
14、调制模式的激光功率是切割速度的函数，它可以通过限制在各点处的功率使 进入板料的热量保持在相当的低水平，从而防止切缝边缘的烧伤。由于它的控制比较复杂，因此效率不是很高，只在短时段内使用。脉冲模式虽可细分为三种情况，实质上只是强度的差别，往往根据材料的特性和结构的精度来选择。五、激光切割的特点 1、激光切割的切缝窄，工件变形小 激光束聚焦成很小的光点，使焦点处达到很高的功率密度。这时光束输入的热量远远超过被材料反射、传导或扩散的部分，材料很快加热至汽化程度，蒸发形成孔洞。随着光束与材料相对线性移动，使孔洞连续形成宽度很窄的切缝。切边受热影响很小，基本没有工件变形。 切割过程中还添加与被切材料相适合
15、的辅助汽体。碳钢切割时利用氧作为辅助汽体与熔融金属产生放热化学反应氧化材料，同时帮助吹走割缝内的熔渣。切割聚丙烯一类塑料使用压缩空气，棉、纸等易燃材料切割使用惰性汽体。进入喷嘴的辅助汽体还能冷却聚焦透镜，防止烟尘进入透镜座内污染镜片并导致镜片过热。 大多数有机与无机材料都可以用激光切割。在工业制造系统占有份量很重的金属加工业，许多金属材料，不管它是什么样的硬度，都可以进行无变形切割。当然，对高反射率材料，如金、银、铜和铝合金，它们也是好的传热导体，因此激光切割很困难，甚至不能切割。 激光切割无毛刺、皱折、精度高，优于等离子切割。对许多机电制造行业来说，由于微机程序控制的现代激光切割系统能方便切
16、割不同形状与尺寸的工件，它往往比冲切、模压工艺更被优先选用；尽管它加工速度还慢于模冲，但它没有模具消耗，无须修理模具，还节约更换模具时间，从而节省了加工费用，降低了生产成本，所以从总体上考虑是更合算的。 2、激光切割是一种高能量、密度可控性好的无接触加工 激光束聚焦后形成具有极强能量的很小作用点，把它应用于切割有许多特点。首先，激光光能转换成惊人的热能保持在极小的区域内，可提供：（1）狭窄的直边割缝；（2）最小的邻近切边的热影响区；（3）极小的局部变形。其次，激光束对工件不施加任何力，它是无接触切割工具，这就意味着：（1）工件无机械变形；（2）无刀具磨损，也谈不上刀具的转换问题；（3）切割材料
17、无须考虑它的硬度，也即激光切割能力不受被切材料的硬度影响，任何硬度的材料都可以切割。再次，激光束可控性强，并有高的适应性和柔性，因而：（1）与自动化设备相结合很方便，容易实现切割过程自动化；（2）由于不存在对切割工件的限制，激光束具有无限的仿形切割能力；（3）与计算机结合，可整张板排料，节省材料。 3、激光切割具有广泛的适应性和灵活性 与其它常规加工方法相比，激光切割具有更大的适应性。与其他热切割方法相比，同样作为热切割过程，别的方法不能象激光束那样作用于一个极小的区域，结果导致切口宽、热影响区大和明显的工件变形。激光能切割非金属，而其它热切割方法则不能。六、气体参数的控制 在实际的激光切割过
18、程中，还要有辅助气体的参与。辅助气体不但可以将熔 渣及时吹走，还起到冷却工件和清洁透镜的作用，选用不同的辅助气体，更能够改变切割的速度及割缝表面质量，对特殊金属的切割具有重大意义。 影响气体的参数包括气体类型、气体压力和喷嘴直径。(1) 辅助气体类型 辅助气体类型有氧气、空气、氮气和氩气。氧气适合于厚板切割、高速切割和极薄板切割；空气适合于铝板、非金属及镀锌钢板的切割，在一定程度上它可以减少氧化膜且节省成本；氮气作为切割时的保护气体可防氧化膜发生，防止燃烧(在板料较厚时容易发生)；氩气用于钛金属切割。(2)气体压力 气体压力分高压和低压两种,根据激光机的技术参数，高压最 大为20兆帕，低压最大
19、为 5 兆帕。选择压力的依据有板料厚度、切割速度、熔化金属的粘度和激光功率。当料厚较大，切速较快，金属液体的粘度较高时,可选用高一些的压力；相反，对于薄料、慢速切割或液态粘度小的金属，则可选择适当的低压。功率较大时适当增加气体压力对冷却周围材料是有益的,它适用于有特殊要求的场合。不管选用怎样的压力，其原则都是在保证吹渣效果的前提下尽可能经济。(3)喷嘴直径 喷嘴直径的选取与气体压力的选择原则上是一样的,但它还与切割方法有关。对于以氧气作为辅助气体的切割，由于金属的燃烧，割缝较宽，要想迅速有效地吹走熔渣，得选用大直径的喷嘴才行，对于采用脉冲切割的场合，割缝较小,不宜选用太大的喷嘴。有时喷嘴大小的
20、选择会与压力选择相矛盾,在不能两全的情况下,通过调节喷嘴与切缝的距离也能起到一定的作用。常用的喷嘴直径是和的。七、材料特性与激光加工的关系 工件切割的结果可能是切缝干净，也可能相反，切缝底部挂渣或切缝上带有烧 痕，其中很大的一部分是由材料引起的。影响切割质量的因素有：合金成分、材料显微结构、表面质量、表面处理、反射率、热导率、熔点及沸点。通常合金成分影响材料的强度可焊性高氧化性和耐腐蚀性，所以含碳量 越高越难切割；晶粒细小切缝品质好；如果材料表面有锈蚀，或有氧化层，熔化时因氧化层与金属的性质不同，使表面产生难熔的氧化物，也增加了熔渣，切缝会呈不规则状；表面粗造减少了反光度，提高热效率，经喷丸处
21、理后切割质量要好许多。导热率低则热量集中，效率高。因此，越是晶粒细小、表面粗糙、无锈蚀、导热率低的材料越容易加工，而含碳量高、表面有镀层或涂漆、反光率高的材料较难切割。含碳量高的金属多属于熔点比较高的金属，由于难以熔化，增加了切穿的时间。一方面，它使得割缝加宽，表面热影响区扩大，造成切割质量的不稳定；另一方面，合金成分含量高，使液态金属的粘度增加，使飞溅和挂渣的比率提高，加工时对激光功率、气吹压力的调节都提出了更高的要求。镀层和涂漆加强的光的反射，使熔融因难；同时，也增加了熔渣的产生。八、激光切割应注意的问题前面分析了激光切割最主要的几个技术参数，它们决定了切割工艺的主要方 面，但并不是只要把
22、握了这就一定能加工出高质量的产品，还有几个问题是特别需 要引起注意的： 1、切速的选择激光切割的速度最大可达200300mm/s，实际加工时往往只有最大速的 1/3 1/2，因为速度越高，伺服机构的动态精度就越低，直接影响切割质量。有实验表明，切割圆孔时，切速越高，孔径越小，加工的孔圆度就越差。只有在长边直线切割时才可以使用最大速切割以提高效率。 2、切割的引线和尾线 在切割操作中，为了使割缝衔接良好，防止始端和终点烧伤，常常在切割开始和结束处各引一段过渡线，分别称作引线和尾线。引线和尾线对工件本身是没有用的, 因此要安排在工件范围之外，同时注意不能将引线设置在尖角等不易散热处。引线与割缝的连
23、接尽量采用圆弧过渡，使机器运动平稳并避免转角停顿造成烧伤。 3、尖角的加工 用走圆弧加工出钝角 如有可能，避免加工没有圆弧的角。带圆弧的角有下列好处：）轴运动的动态性能好；）热影响区小；c）产生的毛刺少。对于不带圆角的边角，可以设定的最大半径是切缝宽度的一半。此时切割出来的边角是没有圆角的。 图2：走圆弧法加工钝角用圆孔成角法在薄板上切割尖角 当在薄板上高速切割时，建议使用圆孔成角法切割尖角，它有下列好处：）切割尖角时，轴向变化均匀；）切角时，切速恒定；）防止了轴振动，避免毛刺生成；）尖角处的热影响区小。 图3：圆孔成角法加工锐角用延时法在厚板上切割尖角 切割厚板时，如果还使用圆孔成角法，尖角
24、周围会过热，此时应采用参数:“Critical angle ,dwell time”来切割尖角，机器运动到尖角处，停顿特定的时间，然后继续转向运动。 九、激光所用气体 激光所用气体包括激光器工作和保护气体以及切割辅助气体。 激光器工作气体用于产生激光，保护气体用于保护光学器件、驱动光闸。激光器工作气体由氦气、氮气、二氧化碳气体按照一定比例混合，这个比例在工厂预定好，确保最佳性能，不要随便调整，比例不当，可能会造成激光系统的失效和高压电源的损害。激光器所用气体均为高纯度，均在 %以上.切割辅助气体主要是 N2 或 O2，有的材料切割可以使用压缩空气作为切割辅助气体。N2 切割的切割面比较光亮；O
25、2 切割的切割面由于材料被氧化而发黑。切割辅助气体的纯度越高，切割面的质量越好。表4：切割辅助气体气体纯度备注氮气%氧气%压缩空气符合ISO8573-1最大颗粒尺寸：5m最大凝聚物含量：5mg/m3最大油含量：m3无油空压机+冷冻干燥机（处理量1m3/min） 第二部分 激光切割工艺切割工艺与下述因素关系紧密： 激光模式 激光功率 焦点位置 喷嘴高度 喷嘴直径 辅助气体 辅助气体纯度 辅助气体流量 辅助气体压力 切割速度 板材材质 板材表面质量（如生锈、异物等）与切割相关的各工艺参数如下图所示。图4：切割工艺参数一、激光模式激光器的模式对切割影响很大，切割时要求到达钢板表面的模式较好。这与激光
26、器本身的模式和外光路镜片的质量有直接的关系。激光束横截面上光强的分布情况称为激光横模。一般笼统地把横模当作激光模式。用符号TEMmn表示各种横向模式。TEM表示横向电磁波，m、n均为正整数，分别表示在x轴和y轴方向上光强为零的那些点的序数，称为模式序数。下图示出了几种不同的激光束横模的光斑。TEM00模又称基模，其光斑中任何一点光强都不为零。若光斑在x方向上有一点光强为零，称为TEM10模；在y方向上有一点光强为零，称为TEM01模。以此类推，模式序数m和n越大，光斑中光强为零的点的数目越多。有不同横向模式的激光束称为多模。图5：模式光斑上图中，TEM00模，称为基模。TEM*01模，是单环模
27、，也叫准基模。为了与TEM01区分，特地加上星号*。TEM01模与TEM10模其实可视为相同的模式，因为X、Y轴原本就是人为划分的。下面示出的是几种模式的立体图。图6：TEM00模式立体图 图7：TEM20模式立体图 图8：TEM23模式立体图图9： 多模二、焦点位置焦点位置是一个关键参数，应正确调节焦点位置。1.焦点位置与切割面的关系焦点位置示意图特征零焦距焦点在工件表面适用于5毫米以下薄碳钢等。（切断面） 焦点在工件上表面，所以，切割光滑，下表面则不光滑。负焦距 焦点在工件表面下铝材、不锈钢等工件采用这种方式。（切断面）焦点在中央，偏下部因此平滑面范围较大，切幅比零焦距的切幅宽，切割气体流
28、量较大，穿孔时间较零焦距为长。正焦距焦点在工件表面上切割厚钢板时采用（一般使用氧气）。厚钢板切断时，切断用氧气的氧化作用必须从上面到底面。因厚板之故切幅要宽，这样的设定可得较宽的切幅。切断面和瓦斯切断类似，可以说是用氧气吹断，因此断面较粗糙。2.焦点位置对切割断面的影响表面上表面上表面上3.焦点寻找 焦点确定的方法和步骤：1）取下喷嘴，Z轴下降，距板面23mm。2）执行寻找焦点子程序1991。 （CALL 1991） 速率倍率设为100%。3）移动Y轴到划痕最细处。4）计算焦点位置Zf 焦点位置为Zf=Z+Y 其中：Z当前Z轴坐标；Y当前Y轴坐标。5）装上喷嘴，将焦点微调调至刻度5。6）手动切
29、换到随动。7）调节焦点，使Z轴坐标达到Zf的值，锁紧切割头。 此时焦点位于板面。三、喷嘴喷嘴形状、喷嘴孔径、喷嘴高度（喷嘴出口与工件表面之间的距离）等，均会影响切割的效果。图10： 喷嘴1.喷嘴的作用（1）防止熔渍等杂物往上反弹，穿过喷嘴，污染聚焦镜片。（2）控制气体扩散面积及大小，从而控制切割质量。图11：没有喷嘴时，气体喷出的情况图12：有喷嘴时，气体喷出的情况2.喷嘴与切割品质的关系喷嘴出口孔中心与激光束的同轴度是影响切割质量优劣的重要因素之一，工件越厚，影响越大。当喷嘴发生变形或有熔渍时，将直接影响同轴度。故喷嘴应小心保存，避免碰伤以免造成变形。喷嘴形状和尺寸的制造精度高，安装时应注意
30、方法正确。如果由于喷嘴的状况不良，从而需要要改变切割时的各项条件，那就不如更换新的喷嘴。如果喷嘴与激光不同轴，将对切割质量产生如下影响。a对切割断面的影响如图所示，当辅助气体从喷嘴吹出时，气量不均匀，出现一边有熔渍，另一边没有的现象。对切割3mm以下薄板时，它的影响较小，切割3mm以上时，影响较严重，有时无法切透。图13：同轴度对切割断面的影响b对尖角的影响工件有尖角或角度较小时，容易产生过熔现象，厚板则可能无法切割。c对穿孔的影响穿孔不稳定，时间不易控制，对厚板会造成过熔，且穿透条件不易掌握。对薄板影响较小。3.喷嘴孔与激光束同轴度的调整喷嘴孔与激光束的同轴度的调整步骤如下：（1）在喷嘴的出口端面涂抹印泥（一般以红色为好），将不干胶带贴在喷嘴出口端面上。如图所示。图14：调整同轴步骤1（2）用1020瓦的功率，手动打孔。（3）取下不干胶纸，注意保持其方向，以便与喷嘴相比照。（4）正常情况下，不干胶纸上会留下一
